文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.005
中文引用格式： 張玉杰，楊小偉. 基于DALI協(xié)議的多傳感器控制設(shè)備設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(7)：19-22.
英文引用格式： Zhang Yujie，Yang Xiaowei. Multi-sensor control device design based on DALI protocol[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：19-22.
0 引言
隨著人們生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)的模擬照明控制系統(tǒng)已不能滿足用戶的需求，靈活的照明控制成為人們追求的目標(biāo)，而功能豐實、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的DALI照明系統(tǒng)既能夠營造溫馨和諧的家居氛圍[1]，又能達到綠色節(jié)能的目的，正被各大照明設(shè)備廠商所使用，成為全球統(tǒng)一規(guī)范。但傳統(tǒng)的DALI控制設(shè)備產(chǎn)品帶有的傳感器種類單一，特別是國內(nèi)的DALI產(chǎn)品，通常只采用觸摸面板或觸摸屏控制方式，對燈具的控制缺乏靈活性。在對系統(tǒng)的參數(shù)進行配置時，往往采用有線連接方式實現(xiàn)上位機與控制設(shè)備的通信，不利于系統(tǒng)安裝后的參數(shù)配置工作。
針對以上問題，本文提出了一種多傳感器集中連接在同一控制設(shè)備的設(shè)計方案。使系統(tǒng)可采用紅外遙控控制方式，對燈具進行亮度調(diào)節(jié)、場景喚醒、模式切換等，多功能遙控器的使用使得燈具控制更加靈活；亮度實時監(jiān)控，確保了燈具在恒亮度模式下的恒亮度輸出；人體移動探測的配合使用可實現(xiàn)燈具在節(jié)能模式下的自動控制；WiFi模塊使控制設(shè)備參數(shù)配置與環(huán)境信息查詢更方便。
1 DALI協(xié)議簡介
數(shù)字可尋址照明接口(Digital Addressable Lighting Interface，DALI)總線協(xié)議是一種專門用于照明控制的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其具有調(diào)光、場景選擇和燈具地址分配等功能。DALI系統(tǒng)中包含控制設(shè)備和控制裝置等設(shè)備。控制設(shè)備是指連接到接口上的設(shè)備，并用于發(fā)送指令控制其他連接到相同接口上的設(shè)備。控制裝置用于給燈具提供電源，接收控制指令并直接控制燈具的裝置。DALI系統(tǒng)工作在主從模式：一個接口上最多控制64臺獨立可尋址的控制裝置/控制設(shè)備[2]。該通信采用異步半雙工串行通信方式，雙線差分驅(qū)動，兩線壓差值在9．5 V～22．5 V之間為高電平，-4.5 V~+4.5 V之間為低電平，總線上的電流不能超過250 mA，每個從設(shè)備消耗的電流不超過2 mA。DALI信號采用曼徹斯特編碼方式，波特率為1 200 b/s[3]。
2 DALI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
帶有多傳感器的DALI系統(tǒng)由控制設(shè)備和控制裝置組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制設(shè)備通過紅外接收器接收遙控器下達的對燈具的控制命令（包括場景喚醒命令、亮度控制命令、模式切換命令等）并轉(zhuǎn)發(fā)給控制裝置。系統(tǒng)工作模式分為自動模式、恒亮度模式、節(jié)能模式和一般模式。各模式的描述如下：
(1)自動模式：系統(tǒng)根據(jù)存儲的參數(shù)自動調(diào)節(jié)燈具亮度，參數(shù)由上位機配置，參數(shù)格式為某時間段某燈具的亮度等級。
(2)恒亮度模式：為達到環(huán)境恒亮度目的，根據(jù)亮度傳感器采集到當(dāng)前環(huán)境亮度，調(diào)節(jié)燈具亮度使環(huán)境亮度達到預(yù)設(shè)值，恒亮度模式下移動傳感器不起作用。
(3)節(jié)能模式：環(huán)境亮度小于閾值且探測到人員移動時，點亮燈具至設(shè)定的亮度，數(shù)分鐘（由上位機配置）后自動關(guān)閉燈具，以達到節(jié)能的目的。節(jié)能模式中移動傳感器和亮度傳感器協(xié)同工作。
(4)一般模式：燈具亮度通過紅外遙控器來控制，可以實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)和喚醒場景等功能，只有在一般模式下遙控器的亮度調(diào)節(jié)和喚醒場景功能才起作用。一般模式下移動傳感器和亮度傳感器不起作用。
控制設(shè)備通過WiFi模塊接收上位機下達的參數(shù)配置命令，并存儲在控制設(shè)備的存儲區(qū)，上位機可以配置的參數(shù)包括：每天8個時間段的場景值、恒亮度模式下的預(yù)設(shè)亮度、節(jié)能模式中的亮度閾值、控制裝置地址、燈具最大/最小亮度、控制裝置組地址等。同時控制設(shè)備可上傳當(dāng)前LED燈具的運行狀態(tài)和傳感器測量值，供查詢使用。控制裝置通過DALI接口接收控制設(shè)備發(fā)送的控制命令，并對控制命令進行解析，實現(xiàn)對LED燈具的控制。本文重點設(shè)計控制設(shè)備的設(shè)計。
3 控制設(shè)備硬件設(shè)計
控制設(shè)備以ARM Cortex-M0為內(nèi)核的32位嵌入式微控制器SN32F248為核心，其包含64 KB Flash ROM程序內(nèi)存、8 KB RAM程序內(nèi)存、3個16位和3個32位通用定時器，共帶有6路捕獲輸入和21路PWM輸出。通信接口包括兩組I2C、一組USART、一組UART等，其低功耗、高性能的優(yōu)點符合本設(shè)計要求。
控制設(shè)備硬件電路包括WiFi通信電路、DALI接口電路、光照度測量電路、移動探測電路、紅外接收電路、電源電路等，其硬件電路總體框圖如圖2所示。
3.1 WiFi通信電路
考慮到控制設(shè)備需要安裝在天花板上，使用有線連接不利于安裝后的系統(tǒng)進行參數(shù)配置和查詢，在此通過無線WiFi實現(xiàn)上位機與控制設(shè)備之間的通信。用戶可根據(jù)要求對控制設(shè)備參數(shù)進行靈活配置[4]。WiFi通信電路以ESP8266為核心，該芯片是專門針對WiFi協(xié)議的SOC系統(tǒng)解決方案。無線通信電路主要由處理器、Flash芯片組成。ESP8266使用3.3 V電源供電，通過UART接口與微控制器SN32F248進行數(shù)據(jù)交換。
3.2 DALI接口電路
DALI接口電路主要用于將單片機的TTL電平與DALI協(xié)議規(guī)定的電平相互轉(zhuǎn)換。DALI 接口電路包括發(fā)射電路和接收電路，其中發(fā)射電路主要由光耦U1、三極管T1和整流器B1組成。U1用于單片機TTL電平和DALI電平的隔離；T1控制總線的導(dǎo)通與關(guān)斷；B1的使用可以使兩根總線的接法互換，避免接線錯誤。接收電路主要由光耦U2、恒流源U3和穩(wěn)壓管D4組成，其中恒流源U3用于驅(qū)動光耦。電路如圖3所示。
在發(fā)送電路中，單片機輸出高電平，U1截止，T1處于截止?fàn)顟B(tài)，總線為高電平；相反，單片機輸出低電平，U1導(dǎo)通，T1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，DALI總線經(jīng)T1和整流橋形成回路，DALI總線電壓被拉至低電平。
接收電路中，當(dāng)DALI總線為高電平時，電流經(jīng)過整流橋，D4處于反向擊穿狀態(tài)，U3的REXT端和VS端電壓被穩(wěn)定在3 V左右，U3工作，光耦U2導(dǎo)通，RX端為高電平。相反，當(dāng)總線為低電平時，RX端為低電平。DALI數(shù)據(jù)的接收需要用到外部中斷，SN32F248的每個引腳都可以配置成外部中斷使用，在此，RX端接到微控制器的P0.5引腳。
3.3 光照度測量電路
光照度測量電路以ROHM公司推出的BH1750FVI為核心。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，能將光照度轉(zhuǎn)化成16位標(biāo)準(zhǔn)I2C數(shù)字量輸出信號，測量范圍1～65535lx。通過微控制器P0.6和P0.7兩個I2C總線引腳讀取相應(yīng)寄存器的值就可以得到環(huán)境亮度。
恒亮度模式下，微控制器通過光照度測量電路獲得當(dāng)前小區(qū)域內(nèi)環(huán)境亮度，控制設(shè)備通過發(fā)送調(diào)亮/調(diào)暗指令調(diào)節(jié)燈具亮度，直到達到設(shè)定亮度為止，達到恒亮度控制的目的。
3.4 移動探測電路
為了在自動模式下通過對是否有人員移動的探測實現(xiàn)對燈具的自動化控制，系統(tǒng)采用被動式熱釋電紅外線傳感器探測人體移動。移動探測電路以BISS0001為核心，其是由運算放大器、狀態(tài)控制器、電壓比較器、定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。當(dāng)人體進入傳感器報警區(qū)域，人體發(fā)射的紅外線穿過菲涅爾濾鏡照射在傳感器表面，傳感器內(nèi)的熱釋電元件失去電荷平衡，向外釋放電荷，電荷經(jīng)過OP1進行第一級放大，再由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級放大，輸出到BIS0001的2OUT引腳，如BIS0001檢出有效觸發(fā)信號，則啟動延遲時間定時器，并從RC1端輸出報警信號。通過讀取引腳電平，即可判斷是否有人員流動，達到移動探測的目的。同時可以通過調(diào)節(jié)R12與C10的參數(shù)來調(diào)節(jié)輸出延遲時間。電路如圖4所示。
3.5 紅外遙控接收電路
紅外接收電路采用一體化紅外接收頭，內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路、比較器等[5]。紅外遙控信號通過紅外濾光片后作用于紅外光電二極管，將紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ撾娦盘柦?jīng)放大器放大后再經(jīng)過選頻電路選頻。然后經(jīng)過檢波電路取出調(diào)制信號，再經(jīng)過施密特電路整形后，還原成代碼波形，最后送給微處理器進行信息識別和處理。利用SN32F248 16 bit定時器的捕獲中斷功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，可使軟件設(shè)計更加簡潔[6]。
4 控制設(shè)備的軟件設(shè)計
控制設(shè)備的軟件以μC/OS-II操作系統(tǒng)為平臺。在SN32F248上移植后，通過對系統(tǒng)的初始化、任務(wù)的創(chuàng)建與調(diào)度來實現(xiàn)功能要求。
4.1 μC/OS-II在SN32F248上的移植
μC/OS-II是一個搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II在SN32F248上的移植根據(jù)處理器的內(nèi)部資源，將與處理器相關(guān)的μC/OS-II的3個文件(os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm、os_cpu.h)進行必要的修改。主要是將文件中的匯編指令,改為Thumb的匯編指令,并根據(jù)SN32F248特點對文件中寄存器的初值進行改寫[7]。
4.2 軟件任務(wù)管理的設(shè)計
μC/OS-Ⅱ主要完成任務(wù)的創(chuàng)建、任務(wù)間的通信和任務(wù)調(diào)度與切換[8]。根據(jù)功能要求，將系統(tǒng)劃分為6個任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的實時性和重要性,整個系統(tǒng)中的任務(wù)按優(yōu)先級由高到低分為:系統(tǒng)初始化任務(wù)、接收上位機指令任務(wù)、接收紅外遙控器指令任務(wù)、DALI總線通信任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)。另外，μC/OS-II本身還帶有統(tǒng)計、任務(wù)創(chuàng)建、空閑3個任務(wù)[9]。
4.2.1 任務(wù)創(chuàng)建
μC/OS-Ⅱ任務(wù)的創(chuàng)建通過函數(shù)OSTaskCreate()完成。首先，進行任務(wù)的優(yōu)先級和堆棧分配，7個任務(wù)：start_task、OS_Stat_Init_task、Re_Computer_Cmd_task、Re_IR_Cmd_task、DALI_task、Data_col_task和Data_deal_task的優(yōu)先級從5開始依次增大，每個任務(wù)分配128 B大小的堆棧。在主函數(shù)中只創(chuàng)建start_task一個任務(wù)，隨后在start_task中再創(chuàng)建另外6個任務(wù)，在6個任務(wù)被創(chuàng)建后start_task任務(wù)被掛起。至此,完成所有任務(wù)的創(chuàng)建。
4.2.2 任務(wù)間的通信與同步
為了協(xié)調(diào)任務(wù)的運行，采用信號量方式實現(xiàn)任務(wù)間的通信與同步[10]。首先，利用函數(shù)OSSemCreate()創(chuàng)建信號量，信號量創(chuàng)建后任務(wù)可通過調(diào)用函數(shù)OSSemPend()請求信號量。任務(wù)獲得信號量，并在訪問共享資源結(jié)束以后，通過OSSemPost()函數(shù)釋放信號量[11]。各任務(wù)信號量的設(shè)置如表1所示。
4.2.3 任務(wù)調(diào)度與切換
任務(wù)調(diào)度就是將CPU分配給符合條件的任務(wù)使用。μC/OS-II采用基于優(yōu)先級和中斷級任務(wù)調(diào)度的方法實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度。在完成中斷服務(wù)函數(shù)后，根據(jù)各任務(wù)的優(yōu)先級先由任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSSched()實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度,調(diào)用OS_SchedNew()函數(shù)進行任務(wù)的切換，切換到需要運行的任務(wù)并執(zhí)行。
5 結(jié)束語
DALI協(xié)議已成為燈光控制系統(tǒng)中的一種重要協(xié)議，采用DALI構(gòu)成的調(diào)光控制系統(tǒng)具有安裝簡單、價格低廉、系統(tǒng)重構(gòu)靈活、可以級聯(lián)等特點，被世界主要的鎮(zhèn)流器廠商采用。本文在研究DALI協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計了帶有多種傳感器的DALI系統(tǒng)，大量試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性強，效率高，操作方便靈活，實時性好，具有良好的前景和較大的現(xiàn)實意義。
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